В данной статье мы рассмотрим основные технологии 3d печати (но не все), с точки зрения рабочего процесса и материалов. О принципах работы 3d принтера в целом Вы можете прочитать здесь, о том как они появись здесь.
FDM (Fused Deposition Modeling) или FFF (Fused Filament Fabrication)
Технология послойного направления материала. Это самая распространенная на рынке технология, а материалом, как правило является пластиковая нить определенного диаметра (самый распространенный 1.75 мм). Среди пластиков самыми популярными являются ABS и PLA.
Все начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL загружается в ПО принтера, где выбираются настройки и модель подготавливается к печати ("нарезается на слои"). При необходимости генерируются поддерживающие структуры, необходимые для печати нависающих элементов. 3d печать происходит посредством выдавливания («экструзией») расплавленного термопластика в виде последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования. Матрицей (основой) движения печатающей головки является 3д модель. Печатающая головка перемещается по 2-м плоскостям и еще по 1 плоскости перемещается печатная платформа. Конфигурации могут быть разными, однако самой популярной является схема, при которой печатающая головка с экструдером двигается в горизонтальной плоскости по 2-м осям а платформа опускается вниз на заданную при подготовке модели высоту слоя. По мере движения вниз материал (и поддерживающие структуры) выкладываются послойно на печатную платформу, при этом материал почти мгновенно остывает. По завершению печати платформа отъезжает вниз. после чего ее можно вынимать и извлекать готовую модель.
FFF является самой доступной по цене (как оборудование, так и услуги) технологией 3d печати и имеет ряд технологических особенностей:
1) В первую очередь стоит отметить сами слои - они, зачастую ощущаются тактильно, и всегда видны визуально. На поверхностях сложной (например овальной) формы, с малым изменением высоты это особо ощутимо. Так же слоистость сказывается на прочностных характеристиках детали: так прочность параллельно слоям может быть до 5 раз меньше, чем прочность поперек.
2) На прочность так же влияет параметр заполнения. Модели по умолчанию (как правило) печатаются с внешним контуром (0.8-1.2 мм или более) внутри которого печатается сетчатая структура, различного рисунка (как правило квадраты или шестиугольники) по форме напоминающая соты. Это настраиваемый параметр заполнения, средне минимальное значение которого 10%, при выборе 10% сетчатая структура будет по объему занимать 10% внутреннего пространства модели. Чем выше параметр заполнения, тем больше прочность. Однако мы не рекомендуем 100% заполнение, так как некоторые тесты/исследования показывают, что наиболее прочными являются модели с заполнением 75%, так как внутри модели остается свободное пространство для амортизации при нагрузках.
3) Точность. Точность размеров и усадка материала так же являются важными нюансами при использовании технологии послойного направления материала. Точность размеров в среднем может быть в пределах +-1мм. в зависимости от используемого оборудования, материалов и параметров печати. Например, у нас допустимые расхождения для пластика ABS находиться в пределах 0.6 мм на 200 мм размера и редко превышают 0.2-0.4 мм, что является очень хорошим показателем для описываемой технологии. Усадка происходит по причине быстрого (неравномерного) остывания материалов и проявляется в виде деформации уже напечатанных нижних слоев модели. Особенно это заметно, если печатать куб 10/10/10 см, углы, прилегающие к печатной платформе, будут загибаться наверх. Усадка варьируется от материала к материалу, так же зависит от настроек печати и расположения модели на платформе. Есть определенное количество способов, чтобы нивелировать лили свести к минимуму проявление усадки, однако многие модели (особенно при печати целиком) все равно будут в той или иной степени ей подвержены.
4) Материалы. В данной технологии преимущественно используются термопластики, и их количество постоянно расширяется. На сегодняшний день существует около нескольких десятков различных видов и модификаций пластиков для 3d печати, однако львиную долю среди них по прежнему занимают ABS и PLA пластики. Такое разнообразие обусловлено различными свойствами пластиков, как применительно к процессу 3д печати, так и готового изделия.
Конечно, это далеко не все, что можно сказать о технологии послойного наплавления, однако основные момент мы изложили. Все эти момент стоит учитывать как при разработке 3d модели, так и непосредственно при подготовке модели к печати и выборе материала.
Зачастую, для улучшения качества внешней поверхности (а иногда и прочности), применяется постобработка.
SLS (selective laser sintering - выборочное лазерное спекание) относиться к классу Powder Bed Fusion (слияние слоев порошка)
Технология, основанная на последовательном спекании слоев порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности. Материалом как правило выступает полиамид и его модификации, а так же различные металлы (технология DMLS).
Все начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL загружается в ПО принтера, где выбираются настройки и модель подготавливается к печати ("нарезается на слои"). Так как построение идет по слоям, особенно важно для финальной поверхности модели ее расположение (ориентация) на печатной платформе. Так на поверхностях сложной (например овальной) формы, с малым изменением высоты (угла наклона поверхности) будет образовываться "лесенка" из слоев. Толщина слоя, как правило, составляет около 0.1 мм. После загрузки подготовленного задания на принтер, начинается процесс 3д печати.
3d Принтер, работающий по технологии SLS представляет из себя закрытую камеру с лотком, наполненным порошком, выравнивателем слоя, местом подачи нового порошка (с одной стороны лотка, вместе с выравнивателем), а так же местом для сброса лишнего порошка (с другой стороны лотка). Так же в камере находиться сканирующая лазерная головка.
В процессе подготовки к печати камера прогревается до температуры, близкой к температуре плавления порошка, чтобы облегчить/ускорить процесс печати и снизить энергозатраты а так же деформацию моделей от разницы в температурах. После прогрева лазерная головка начинает сканировать плоскость порошка и выборочно спекать контуры, соответствующие подготовленной 3д модели. Как только слой закончен, лоток сдвигается вниз на толщину слоя (0.1 мм), подается новый порошок, который равномерно распространяется выравнивателем поверх напечатанного слоя. И печать продолжается до полного завершения (слой за слоем). Порошок вокруг спекаемых контуров остается на месте и служит поддерживающим материалом, что подводит нас к самому большому преимуществу данной технологии - отсутствии необходимости в поддерживающих структурах. Что позволяет создавать практически неограниченные по сложности объемы моделей.
После завершения процесса печати камера остывает, модель извлекается и продувается под струей сжатого воздуха, для удаления остатков порошка. После продувки модель можно подвергнуть пост обработке, для улучшения ее физических и эстетических свойств, например ее можно покрасить.
SLS в ценовом диапазоне стоит посередине между FFF (FDM) и MJM, и может быть сопоставлена по цене с бюджетными фотополимерами по технологии SLA. Технология имеет ряд особенностей:
1) Слои. Как правило высотой 0.1 мм и, как правило не заметны, за исключением малого отклонения (описанного выше), когда появляется лесенка. Прочность вдоль и поперек слоя практически равнозначны. При использовании материалов с добавками (например стекло или угленаполненный полиамид), прочность по слоям начинает разница и может доходить до 50% разницы.
2) Поверхность. После печати изделия имеют слегка шероховатую поверхность, примерно одинаковую со всех сторон. Поверхность может шлифоваться, но возможности "ручного редактирования" сильно ограничены, так как можно просто-напросто сломать или отколоть часть детали. Так как материал (полиамид) сделан из порошка методом спекания, он имеет пористую структуру и без дополнительной обработки не может контактировать с водой или находиться в условиях повышенной влажности долгое время, в противном случае это приведёт к деформации/деградации поверхности. На это же стоит обратить внимание при покраске (противопоказаны краски на водной основе).
3) Точность. Как правило (в зависимости от оборудования и материала) варьируется в пределах от 0.1 мм до 0.3 мм. Как правило, редко превышает 0.2 мм. Как и в технологии FFF (FDM), существует проблема усадки (деформации), по причине неравномерного остывания слоев, однако в данном случае она обстоит слегка иным образом. Стоимость избегать расположения больших (продольных/плоских) кросс секций вертикально, располагать такие модели под углом или горизонтально, чтобы сократить площадь слоя. Так же, если Вы печатаете большую (более 100/150 мм) плоскость с небольшой толщиной (до 2-3 мм), вероятность деформации очень высока (90%), в таких случаях нужно предусматривать ребра жесткости.
4) Материалы. Используются порошковые материалы, самый популярный - полиамид. Как правило делается на основе нейлона. Марок полиамида может быть довольно много (в зависимости от конкретного химического состава и добавок). Так же могут использоваться специальные добавки, такие как стекло или угле волокно или алюминий, которые придают изделиям специальные свойства.
SLA (стереолитография) или DLP (Направленная световая обработка)
Технология аддитивного производства , работающая по принципу отверждения фотополимерных смол посредством лазерной засветки (SLA) и засветки проектором (DLP). Материалами выступают фотополимерные смолы самых различных составов и свойств.
Все начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL загружается в ПО принтера, где выбираются настройки (например толщина слоя) и модель подготавливается к печати ("нарезается на слои"). Важным параметром является ориентация модели на платформе: это важно не только для внешнего вида отдельных деталей модели (слоистость или "елочка"), сколько размещения поддерживающих материалов и успешной печати как таковой. Хотя последний пункт во многом зависит от конкретного типа оборудования и материалов, так дорогостоящие промышленные установки позволяют располагать модели как угодно (почти), что никак не будет сказываться на качестве печати. Тем не менее, все же общей рекомендацией будет располагать модели под углом около 45 градусов ко всем осям.
После подготовки модели и загрузки кода в принтер, принтер приступает к работе. Принтер устроен из лотка (где находиться полимер), в большинстве оборудования лоток оснащен системой автоматической подачи и дозирования материала, в более простых (любительских) 3д принтерах, материал необходимо в нужном количестве налить в лоток вручную. После этого принтер начинает проецировать лазерный луч через систему зеркал, по контуру слоя (SLA) или слой целиком через проектор (DLP) на фотополимерную поверхность. После завершения платформа поднимается на высоту слоя и специальная планка выравнивает поверхность для следующего слоя, после чего начинается его засветка.
После того, как модель построена, она (как правило вместе с платформой) извлекается из 3д принтера, она содержит на себе много лишней сломы. Для удаления смолы модель помещается (как правило) в резервуар со специальной жидкостью, где проходит процедуру отмывки. После отмывки (как правило) модель помещается в специальную "печь" в которой проходит световую (ультрафиолетовые лучи) или тепловую обработку, такая обработка помогает модели дополимерезоваться и может значительно повысить ее физические свойства, такие как прочность.
По окончанию обработки модель очищается от поддерживающих структур (можно сделать и ранее) и может быть подвергнута постобработке.
3d печать по технологии SLA (DLP) в ценовом диапазоне находиться выше FFF и SLS и уступает, по большому счету, только MJM и 3д печати металлами. Хотя стоимость будет сильно зависеть от типа используемого оборудования и материалов. Например мы предлагаем 3d печать от 130 руб. по технологии SLA..Технология имеет ряд особенностей:
1) Отличие SLA от DLP. Принципиальным отличием технологий является источник засветки каждой. SLA использует лазер, который передвигается по контуру (обозначенному моделью) и засвечивает слой постепенно, тогда как DLP при помощи "проектора" засвечивают слой целиком (или по большим секциям). В результате, точность мелких элементов у SLA выше а у DLP выше скорость.
2) Поверхность. Самым большим преимуществом является качество поверхности, за счет технологических особенностей и возможности печати с небольшой толщиной слоя (до 0.15 мм), поверхность может быть гладкой (максимально, на сколько это возможно для 3д печати) и с высокой детализацией (минимальными размерами элементов). Однако как и для технологии FFF, под нависающими частями необходимы поддерживающие структуры. Обычно они отличаются по виду от поддержек технологии FFF и представляют из себя тонкие стержни с заостренными окончаниями, приходящими непосредственно на поверхность модели. Если небольшой недостаток поддержки при 3д печати пластиком может вызвать незначительную деформацию модели (или никак не отразиться), то при 3d печати по технологии SLA (DLP), наличие поддержки всех необходимых местах критически важно. Отсутствие поддерживающих структур там, где они нужны, зачастую приводит к браку всей модели.
Поддержка оставляет после себя следы (хоть и небольшие). Для придания поверхности необходимого вида может быть использована постобработка.
3) Точность. Этот параметр во многом зависит от типа используемого оборудования и материала и в среднем составляет от 0.1 до 0.3 мм. Мы предлагаем 3d печать по технологии SLA с точностью до 0.25 мм. на рабочую камеру. Наряду с точностью стоит отдельно выделить настраиваемый параметр толщины слоя (движение по оси Z), который может составлять от 0.025 до 0.3 мм. Малая высота слоя значительно увеличивает время (и себестоимость) 3д печати, однако способствует формированию более гладкой поверхности и более высокого качества мелких деталей. Стоимость так же упомянуть о деформации при печати (и как следствии брака), деформации подвержены большие плоские поверхности (особенно тонкие). Стоит избегать расположения детали, при котором площадь слоя будет иметь большое сечение. Его, по возможности, необходимо сократить как можно больше, переориентировав модель под углом или вертикально.
4) Материалы. В качестве материалов используются различные полимеры в жидком виде, обладающие различными свойствами, например: термостойкий полимер, прочный полимер, полупрозрачный полимер, выжигаемый полимер. Линейка постоянно пополняется, что постоянно расширяет и без того широкий спектр возможностей для применения данной технологии.
MJM (много струйное моделирование)
Технология аддитивного производства, работающая по принципу нанесения материала печатной головкой с массивом сопел (количество сопел от 96 до 446). Материалом может выступать жесткий пластик, застывающий посредством постепенного охлаждения, воск или жидкий полимер, обрабатываемый ультрафиолетовым излучением для затвердевания.
Все начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL загружается в ПО принтера, где выбираются настройки (например толщина слоя, материал) и модель подготавливается к печати ("нарезается на слои"). Важным параметром является ориентация модели на платформе: это важно для внешнего вида отдельных деталей модели (слоистость или "елочка").
После подготовки модели и загрузки кода в принтер, принтер приступает к работе.
После того, как модель построена, она (как правило вместе с платформой) извлекается из 3д принтера, модели извлекаются с платформы и помещаются в специальную камеру, где происходит постобработка и удаление поддерживающих структур.
1) Слои. Толщина слоя может быть очень маленькой и начинается от 0,016мм (16 микрон). Однако даже такие слои могут быть заметны. при невыгодном расположении модели при печати (например изменение плоскости по оси Z под небольшим углом). Тем не менее, это наименьший показатель из возможных, и, как правило, слои остаются незаметны.
2) Поверхность. Поверхность, как и при технологии SLA, получается максимально гладкой. Это достигается малой высотой слоя а так же высокой точностью (самой высокой их возможных). Погрешность не превышает 0.035 мм. ЗА счет использования поддерживающих материалов их легкоплавкого воска, поверхность под поддерживающими структурами, после их удаления (автоматического в специальной камере), не будет ничем отличаться от остальной поверхности.
3) Точность. 3d печать по технологии MJM является самой точной из доступных. Допуск по размерам не превышает 0.035 мм (35 микрон) на камеру построения. Как и в других технологиях, существуют проблемы с деформацией моделей. Они могут незначительно варьироваться, в зависимости от материала, однако в основном деформации подвержены тонкие, плоские стенки без ребер жесткости.
4) Материалы. В качестве материалов в основном используются различные фотополимеры и полимер на основе воска с различными механическими свойствами. Например используется легкоплавкий воск, обладающий низкой зольностью, используемый в основном для ювелирной 3д печати. А сверхточный полимер обладает максимальным из возможных при 3d печати качеством поверхности и точностью и используется в основном, для создания литейных мастер-моделей.